Bir Atıksu Arıtma Tesisinin Yarı-Sınıf IV Standartlarına Yükseltilmesinde BIOLAK Sürecinin Uygulanması
21. yüzyılın başlarında Çin'de tanıtılan BIOLAK prosesi, basit yapısı ve düşük yatırım maliyetleri nedeniyle belediye atıksu arıtımında geniş uygulama alanı buldu. Son yıllarda deşarj standartlarının sıkılaştırılması ve otomasyonun artmasıyla birlikte mevcut BIOLAK tesislerinin çoğu iyileştirmelerle karşı karşıyadır. Azot ve fosfor giderimini iyileştirmek için askıdaki taşıyıcıların eklenmesi, tankların yenilenmesi ve işlevsel bölgelerin yeniden tanımlanması gibi iyileştirmeler uygulandı. Yeni inşa edilen tesisler ağırlıklı olarak A²/O ve oksidasyon hendek süreçlerini benimserken, BIOLAK'ın özellikle sıkı emisyon standartları altındaki gerçek performansı hakkında çok az rapor bulunmaktadır. BIOLAK süreci, esas olarak çok-aşamalı bir A/O süreci olarak işlev gören geçici anoksik ve aerobik bölgeler oluşturmak için salınımlı havalandırma zincirlerini kullanır. Operasyonel optimizasyon sayesinde atık su kalitesi, yarı-Sınıf IV yüzey suyu standardını istikrarlı bir şekilde karşılayabilir.
1 Proje Geçmişi
Hebei Eyaletindeki bir atık su arıtma tesisi, temel teknolojisi olarak BIOLAK sürecini kullanıyor. Giriş akışı 18.000 ila 22.000 m³/gün arasında değişmekte olup, ortalama 19.000 m³/gün olup, öncelikle kentsel evsel kanalizasyon ve az miktarda tarımsal işleme atık suyunu arıtmaktadır. Tasarlanan giriş ve çıkış suyu nitelikleri şekilde gösterilmiştir.Tablo 1. Orijinal deşarj standardı, *"Belediye Atıksu Arıtma Tesisleri için Kirleticilerin Deşarj Standardı" (GB 18918-2002)* A Sınıfı standardıydı. Denitrifikasyon ve fosfor gidermeyi geliştirmek için anaerobik bölgenin bölümlenmesini içeren bir yükseltmenin ardından tesis artık *"Daqing Nehri Havzası için Su Kirletici Deşarj Standartları" (DB13/2795-2018)* temel kontrol alanı sınırlarına uymaktadır. Toplam nitrojen dışındaki diğer tüm göstergeler *"Yüzey Suyu için Çevresel Kalite Standartları" (GB 3838-2002)*'da belirtilen Sınıf IV standartlarını karşılamaktadır. Süreç akışı şu şekilde gösterilmiştir:Şekil 1.
Tesis dezenfeksiyon için sodyum hipoklorit kullanıyor. Çamur, çimento fırınlarında birlikte işlenmek üzere nakledilmeden önce yüksek-basınçlı plaka ve çerçeve filtreleme yoluyla %60'ın altına nem içeriğine kadar susuzlaştırılır.
Her arıtma ünitesinin kirletici giderimine katkısı, literatürden referans alınarak spesifik yöntemlerle kütle dengesine dayalı olarak hesaplandı.
2 Operasyonel Kontrol Optimizasyon Tedbirleri
Atık su stabilitesini artırmak ve enerji ve maliyet tasarrufu sağlamak için işletme sırasında çok sayıda optimizasyon önlemi uygulandı.
2.1 Gelişmiş Çözünmüş Oksijen (DO) Kontrolü
Mevcut BIOLAK yenileme projelerinde genellikle çok-aşamalı bir A/O çeşidi olarak zayıf bölgelere ayrılmasının düşük denitrifikasyon verimliliğine yol açtığı belirtiliyor. Bu projede, atık su amonyak nitrojen uyumluluğu sağlanırken, havalandırma bölgesinin sonundaki maksimum ÇO, geleneksel ÇO kontrol gerekliliklerinden daha düşük olan 0,5–1,0 mg/L'de tutuldu.
2.2 Artırılmış Proses Verisi İzleme
DO kontrolüne ve harici karbon kaynağı dozajına rehberlik etmek için, optimum kontrol aralıklarını belirlemek amacıyla anaerobik bölgenin sonunda ve BIOLAK tankında nitrat nitrojeni ve amonyak nitrojeni izlendi. Operasyon sırasında, anaerobik bölgenin sonundaki nitrat nitrojeni aşıldığında harici karbon kaynağı dozajı azaltıldı veya durduruldu.<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Dahili Atık Kontrol Hedeflerinin Belirlenmesi
İstikrarlı bir uyumluluk sağlamak için iç kontrol hedefleri, her bir kirleticiyi kontrol etmenin zorluğuna bağlı olarak deşarj limitlerinin %30 ila %80'i olarak belirlendi. Bu dahili sınırların aşılması, atık su konsantrasyonlarını kabul edilebilir bir aralığa döndürmek için anında proses parametresi ayarlamalarını tetikledi. COD, amonyak nitrojeni, toplam nitrojen ve toplam fosfor için yıllık dahili kontrol hedefleri sırasıyla 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L ve 0,12 mg/L idi.
2.4 Uygun Çamur Konsantrasyonunun Korunması
Çamur israfı akışa, yüke ve mevsime göre ayarlandı. Çamur tutma süresi (SRT) 15-25 günde tutuldu ve karışık sıvıdaki askıda katı madde (MLSS) konsantrasyonu 2.500-4.500 mg/L'de tutuldu. Spesifik olarak, MLSS yaz ve sonbaharda 2.500-3.500 mg/L'de, yaklaşık 0.06 kgCOD/(kgMLSS·d) çamur yüküyle ve kış ve ilkbaharda yaklaşık 0.04 kgCOD/(kgMLSS·d) çamur yüküyle 3.500-4.500 mg/L'de kontrol edildi.
2.5 Gelişmiş Tedavi Ünitelerinin Çalışmasının Ayarlanması
Kışın düşük sıcaklıklar flokülasyonu ve sedimantasyonu etkiledi. V-tipi filtrelerin zamanında olmayan şekilde geri yıkanması, atık sudaki askıda katı maddelerin ve COD'nin artmasına neden olabilir. Bu nedenle, kış çalışması sırasında, pıhtılaşma performansına bağlı olarak geri yıkama sıklığı artırıldı ve atık sudaki askıda katı madde konsantrasyonunu azaltmak için pıhtılaşma-çökeltme tankından çamur deşarjı yoğunlaştırıldı.
3 Tedavi Performansı
Yıllık giriş KOİ'si 109 ile 248 mg/L arasında değişmekte olup ortalama 176 mg/L'dir. Atık KOİ 9,5 ile 20,1 mg/L arasında değişmekte olup ortalama 12,1 mg/L'dir. Atık KOİ dahili kontrol hedefini (15 mg/L) aştığında, askıdaki katı maddeleri azaltmak için filtre geri yıkama sıklığı artırıldı. Daha iyi pıhtılaşma verimliliği için pıhtılaşma-çökeltme tankının yüksek-yoğunluklu veya manyetik pıhtılaşma-çöktürme tankına yükseltilmesi önerilir.
Yıllık içeri giren amonyak nitrojeni 17,8 ile 54,9 mg/L arasında değişiyordu ve ortalama 31,9 mg/L idi. Atık amonyak nitrojeni 0,12 ila 1,30 mg/L aralığında olup ortalama 0,5 mg/L'dir. Dahili kontrol hedefi aşıldığında havalandırma optimizasyon önlemlerine göre ayarlandı. Atık su kalitesi, yıl boyunca *DB13/2795-2018* temel kontrol alanı limitlerini istikrarlı bir şekilde karşıladı.
Girişteki karbon kaynağı konsantrasyonunun düşük olması nedeniyle, enerji ve maliyet tasarrufu amacıyla nitrojen ve fosfor giderimini artırmak için proses koşullarının optimize edilmesine odaklanıldı.
3.1 DO Kontrol Optimizasyonu ve Toplam Azot Giderimi
Yıllık içeri giren toplam nitrojen (TN) 20,3 ila 55,6 mg/L arasında değişiyordu (bkz.Şekil 2), ortalama 42,1 mg/L. Atık TN, dahili kontrol hedefi (12 mg/L) dahilinde 2,5 ila 14,2 mg/L arasında değişmekte olup ortalama 8,8 mg/L'dir. Ortalama TN giderme oranı %79,1 idi. %90'lık bir çamur geri dönüşüm oranıyla (dahili karışık sıvı geri dönüşümü yok), teorik denitrifikasyon verimliliği %47,4 idi; bu, denitrifikasyonun anaerobik seçicinin ötesindeki diğer proses bölgelerinde de meydana geldiğini gösterir. Tipik bir döngüde arıtma dizisi boyunca nitrojendeki değişiklikler şekilde gösterilmiştir.Şekil 3.
Tipik bir döngüde, içeri giren TN 42,0 mg/L, amonyak ve nitrat nitrojen toplamı ise 35,2 mg/L idi. Anaerobik seçiciden sonra TN 16,7 mg/L oldu, bu da teorik değerle tutarlı olarak kütle dengesi yoluyla %43,5'lik bir giderim oranıyla sonuçlandı. BIOLAK tankı %24,0 TN giderimine katkıda bulundu. Atık sudaki TN, ikincil çökeltme tankında daha da azaltılarak, esas olarak endojen karbon kaynağıyla denitrifikasyona izin veren uzun hidrolik tutma süresi (8,6 saat) nedeniyle %11,3'lük ilave bir giderime katkıda bulundu. Diğer birimler %1,9'luk azalmaya katkıda bulundu. Nihai atık TN, %80,7'lik toplam uzaklaştırma oranıyla 8,1 mg/L idi.
Operasyonel deneyimler, BIOLAK prosesinde TN'nin giderilmesi için DO kontrolünün çok önemli olduğunu göstermektedir. Geleneksel işlemlerde DO genellikle aerobik bölgenin sonunda, DO'nun kesit boyunca nispeten tekdüze olduğu bir kanal yapısında ölçülür-. Ancak BIOLAK tankında havalandırma bölgesi ucu yaklaşık 70 metre genişliğinde olup, ÇO eğim kenarından merkeze doğru artmakta ve 0,5-1,0 mg/L farklılık göstermektedir. Bu nedenle DO problarının konumu dikkatli bir dikkat gerektirir.
BIOLAK havalandırma bölgesinin sonundaki maksimum DO'nun sıkı bir şekilde kontrol edilmesiyle denitrifikasyon için gerekli anoksik ortam etkili bir şekilde sağlandı. Endojen karbon kaynakları kullanılarak eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon (SND) gerçekleştirilerek etkili TN giderimi sağlandı.
3.2 Toplam Fosfor Giderimi ve Operasyonel Optimizasyon
Yıllık içeri giren toplam fosfor (TP) 1,47 ila 4,80 mg/L arasında değişiyordu (bkz.Şekil 4), ortalama 2,99 mg/L. Atık su TP'si 0,04 ile 0,17 mg/L arasında değişmiştir. Fosfor giderme maddesi dozajı dahili kontrol hedefine (0,12 mg/L) göre ayarlandı. Ortalama atık TP konsantrasyonu 0,07 mg/L olup, ortalama %98,3'lük bir TP uzaklaştırma oranı ile deşarj standardını istikrarlı bir şekilde karşılamaktadır.
Tipik bir döngüde arıtma dizisi boyunca fosfattaki değişiklikler şekilde gösterilmiştir.Şekil 5.
Giriş fosfatı 2,70 mg/L ve geri dönüş çamuru fosfatı 0,58 mg/L idi, bu da anaerobik seçiciye giren teorik fosfatın 1,70 mg/L olmasını sağladı. Polifosfat-biriktiren organizmalar (PAO'lar) tarafından anaerobik fosfor salınımının ardından fosfat konsantrasyonu 3,2 mg/L'ye ulaştı. Fosfat konsantrasyon oranı (anaerobik bölgede/girişte maksimum) 1,9 olup, önemli bir salınım olduğunu göstermektedir. Bunun ana nedeni, düşük ÇO koşulları altında etkili denitrifikasyondu; bu, anaerobik bölgeye geri dönüş çamurunda düşük nitrat konsantrasyonuyla sonuçlanır, iyi bir anaerobik ortam korunur (ORP genellikle -200 mV'nin altındadır) ve fosfor salınımını teşvik eder.
BIOLAK havalandırma bölgesinden sonra önemli miktarda fosfor alımı meydana geldi ve sondaki fosfat konsantrasyonu 0,3 mg/L'ye düşürülerek %88,9'luk biyolojik fosfor giderme verimliliği elde edildi. Sedimantasyon ve stabilizasyon tanklarından sonra fosfat konsantrasyonu 0,64 mg/L'ye yükseldi. Analiz, bunun sedimantasyon tankındaki uzun HRT'den ve BIOLAK tankındaki sıkı bir şekilde kontrol edilen DO'dan kaynaklandığını, bunun sedimantasyon tankında anaerobik bir koşul oluşturduğunu ve ikincil fosfor salınımına neden olduğunu öne sürüyor. Koagülasyon ünitesinde kimyasal dozajı yapıldıktan sonra atık sudaki fosfat 0,06 mg/L'ye düşürüldü. Bu nedenle, ekonomik maliyetler ve operasyonel karmaşıklık göz önüne alındığında, denitrifikasyonu geliştirmek için biyolojik fosfor giderme verimliliğinden bir miktar fedakarlık etmek, benzer tesisler için geçerli bir optimizasyon stratejisidir.
4 Operasyonel Maliyetler
Doğrudan işletme maliyetleri arasında elektrik, kimyasallar ve çamur bertarafı yer almaktadır. Yıllık istatistiklere göre spesifik güç tüketimi 0,66 kWh/m³ idi. 0,65 CNY/kWh elektrik fiyatıyla (zirve/zirve dışı oranların birleşimine dayalı olarak) elektrik maliyeti 0,429 CNY/m³ oldu. Bu tüketim, "Belediye Atık Su Arıtma Tesislerinin İşletim Kalitesine İlişkin Değerlendirme Standardı"na göre, esas olarak havalandırma sisteminin oksijen kullanım verimliliğinin biraz daha düşük olması nedeniyle daha yüksek düzeydedir. Sodyum asetat, fosfor giderme maddesi, PAM, sodyum hipoklorit ve susuzlaştırma kimyasalları dahil olmak üzere kimyasal maliyetlerin toplamı 0,151 CNY/m³ oldu. Özel kullanım ve maliyetler şurada gösterilmiştir:Tablo 2.
Çamur esas olarak biyolojik ve kimyasal (pıhtılaşma tankı) kaynaklardan kaynaklanır. Yüksek-basınçlı plaka ve çerçeve filtreleme, şartlandırma maddeleri olarak kireç ve ferrik klorürle birlikte kullanılır. Kireç dozajı kuru çamur ağırlığının yaklaşık %25'i kadardır. Susuzlaştırılmış kekin nem içeriği %60'tır. Günlük susuzlaştırılmış çamur üretimi yaklaşık 9 tondur ve spesifik kuru çamur verimi yaklaşık %0,15'tir. Çamur taşıma maliyeti 250 CNY/ton olup çamur bertaraf maliyeti yaklaşık 0,118 CNY/m³ olur. Dolayısıyla toplam doğrudan üretim maliyeti 0,698 CNY/m³'tür.
5 Sonuç
① Hebei Eyaletindeki, belediye atık suyunu arıtmak için BIOLAK sürecini kullanan bir atık su arıtma tesisi, *DB13/2795-2018* (Yarı-Sınıf IV yüzey suyu standardı) temel kontrol alanı sınırlarını istikrarlı bir şekilde karşılayan atık su kalitesiyle bir yıl boyunca sürekli olarak çalıştı.
② Çok-aşamalı A/O işleminin bir çeşidi olarak, BIOLAK havalandırma bölgesinin sonundaki maksimum DO'nun 0,5–1,0 mg/L olarak kontrol edilmesi, BIOLAK bölgesinde %24,0 ve sedimantasyon tankında %11,3'lük bir TN giderim oranıyla sonuçlandı. Bu, eş zamanlı nitrifikasyon-denitrifikasyon ve endojen karbon kaynağı denitrifikasyonunu sağlayarak, önemli miktarda nitrojen giderme kapasitesi ortaya koydu.
③ BIOLAK prosesinin doğrudan işletme maliyeti 0,698 CNY/m³ oldu. Proses verilerinin izlenmesi ve makul iç kontrol hedeflerinin belirlenmesi de dahil olmak üzere operasyonel optimizasyon önlemleri, benzer atık su arıtma tesislerinde operasyonun optimize edilmesi ve enerji/maliyet tasarrufu sağlanması için referanslar sağlayabilir.